荧光衍生物的合成毕业论文

目录1.引言…………………………………………………………………………………21.1荧光分析技术…………………………………………………………………31.2BODIY类染料研究历程…………………………………………………………31.3BODIY类荧光染料的性能……………………………………………52.实验…………………………………………………………………………………62.1实验仪器…………………………………………………………………………52.2实验试剂…………………………………………………………………………62.3实验原理…………………………………………………………………………62.4实验步骤…………………………………………………………………………62.5实验谱图…………………………………………………………………………73.讨论………………………………………………………………………………11参考文献……………………………………………………………………………11致谢…………………………………………………………………………………1212 BODIPY类荧光衍生物的合成张萍，安徽师范大学化学与材料科学学院摘要：氮杂氟硼荧光染料（Aza-BODIPY）是一种新型荧光化合物，具有较高的的荧光量子产率和摩尔消光系数，并且表现出很好的光稳定性；可以用于设计荧光探针。作为其核心，BODIPY类荧光化合物合成具有重要意义，尤其是具有长波吸收的荧光化合物,由于对生物体伤害小,一直是人们关注的焦点。本论文主要设用4-甲氧基苯乙酮、对溴苯甲醛、硝基甲烷、乙二胺、醋酸铵、三氟化硼乙醚为原料，然后经过一系列反映得到Aza-BODIPY衍生物。关键字：Aza-BODIPY；合成；荧光染料SynthesisofBODIPYDerivativesZhangping,CollegeofChemistryandMaterialsScienceAbstract:Aza-BODIPYfluorescentdyes,whichareanewkindoffluorescentcompounds,hashighfluorescencequantitywhenzichanrateandMooreextinctioncoefficientandthatshowsexcellentlightstability;andcanbeusedtodesignfluorospectrophotometricprobes。Asitscore,BODIPYclassfluorescencecompoundssynthesishasanimportantmeaning,andespeciallythefluorescencecompoundswithlongwaveabsorption,becauseofsmallorganisms,isalwaysthedamagethefocusofattention.Aza-BODIPYfluorescentdyes,whichareanewkindoffluorescentcompounds,arewidelyusedduetotheiroutstandingadvantages.Thisthesismainlydesignsusing4-Methoxyacetophone，2-Bromobenzaldehyde，nitromethane，diethylamine，ammoniumacetate，diisopropylethylamineandborontrifluoridediethyletheratetosynthesisBODIPYderivativesAza-aseries.Keywords:Aza-BODIPY；Synthesis;Fluorescentdyes.1.引言1.1荧光分析技术12 目前应用最为广泛的一种有效生物检测方法就是荧光分析技术，这种技术是利用带有识别基团的荧光化合物分子作为检测试剂，在与靶标物结合的前后荧光的强度或者波长的变化来判定靶标的种类和浓度等等相关参数。荧光化合物能够发出光信号,而且对生物体无伤害作用,是完成这一任务的理想选择,所以荧光化合物的研究一直是人们关注的焦点,它伴随着生命科学的发展发挥着越来越重要的作用。并且荧光分析方法灵敏度高,选择性好,试样量小,在分析化学、生物化学、医学、临床诊断、环境科学等学科领域有较广泛的应用。荧光化合物能够发出光信号,而且对生物体无伤害作用,是完成这一任务的理想选择,所以荧光化合物的研究一直是人们关注的焦点,它伴随着生命科学的发展发挥着越来越重要的作用。与其它的荧光染料相比,BODIPY类荧光染料具有突出的优点:具有较窄的吸收和发射峰、较高的摩尔吸光系数、较高的光稳定性和化学稳定性以及较高的荧光量子产率等。正是由于BODIPY类荧光染料具有这些独特的光化学光物理特性,已经成为最近几十年的研究热点,目前人们已经能够通过对共轭链以及取代基的改变,实现在紫外可见区以及红外近红外光区任意改变其吸收和发射波长,合成出各种不同的染料。鉴于目前在BODIPY母体染料上引入活性官能团进而用于化学分析检测以及生物标记和生物分析检测等领域中仍然是一个难点.所以研究带不同官能团的BODIPY荧光化合物就有十分重要的意义。近二十年来,氟化硼络合二吡咯甲川类(Boron-dipyrromethene,简称BODIPY)荧光染料得到了越来越多的关注,这得益于其自身优异的理化性能:较高的荧光量子产率和摩尔吸光系数;良好的光稳定性;不易受到溶剂极性和pH值的影响;染料的荧光光谱峰宽较窄;较高的光热及化学稳定性，较小的分子质量与较低的细胞毒性最大吸收与发射在可见光下;易于进行化学修饰等.对于BODIPY染料结构衍生化的拓展，其最终的目的是开发出性能优良用途广泛的荧光染料。1.2BODIY类燃料研究历程1968年，A.Treibs和F.H.Kreuzer首次合成了氟硼荧类荧光染料，它的母体结构如下。他们合成了染料的母体结构，同时也合成了R1—R7为不同烷基取代基的氟硼荧染料。采用不同取代基的吡咯甲醛与α12 位没有取代基的吡咯或吡咯衍生物在酸性条件下缩合，然后氧化脱去一分子氢，形成吡咯甲烯，然后在有机碱性条件下与三氟化硼络合，形成氟硼荧染料，氟硼荧染料的最大发射波长大概在490-520nm范围内。从而开创了氟硼荧类染料的历史。图1BODIPY荧光染料母体结构1988年以来，氟硼荧染料的研究得到空前的发展，RichardP.Huagland和HeeC.Kang等人的最新专利文献描述了近50种新结构氟硼荧染料的合成，并给出了相应的光谱数据。他们为氟硼荧染料的发展做出了巨大的贡献，起了至关重要的推动作用。令人关注的是，在染料母体的3位引入了苯乙烯基，还在1、3位上引入了两个苯基，合成了两种波长超过600nm的长波长荧光染料，为氟硼荧染料的合成向长波长发展迈开了第一步。长波长(λem≥600nm)的BODIPY类染料,更适合于活体细胞内跟踪生命过程的发生和变化。这是因为长波长的荧光团在受光激发时能够避开生物体自身小分子化合物的荧光干扰，便于准确检测；此外由于激发光波长较长、能量较低，从而降低了对细胞本身的照射损害[7-10]。然而，对于BODIPY荧光染料母体的合成，传统的合成路线是以醛为原料，与吡咯α氢缩合再氧化脱氢，经三乙胺作用，然后与三氟化硼络合得到氟硼二吡咯，氧化过程会产生大量的副产物降低了产率，增加了后处理过程难度，造成了环境污染与经济负担压力，并且该类型实验得不到氟硼三吡咯[11-12]。在过去的20多年里，人们除了通过对BODIPY的结构修饰，改善BODIPY荧光燃料的光物理和光化学性能，还通过有效地组合BODIPY和识别基团，制备所需的各种荧光染料。通过多年的研究和实际应用，长波长BODIPY系列衍生物开始逐渐成为一种在化学、环境、生命科学等研究中重要的荧光探针材料。近几年,国外BODIPY系列衍生物的合成和应用研究方面的报道较多，但国内在此领域的研究起步晚,报道的文献很少，用于基础和应用研究的BODIPY系列衍生物及其探针基本上需要进口。现在具有灵敏度高、特异性识别、光稳定性好、水溶性等优点的长波长BOD12 IPY类阳离子荧光探针的设计、合成、应用研究一直是值得研究的方向。如果将相关领域如生物科学、纳米科学等的最新成果应用到长波长BODIPY类荧光燃料设计和合成，将有着重要的价值和前景。1.3BODIY类荧光染料的物理化学性能BODIPY类荧光染料具有非常优异的光物理性能[4]，表现在以下几个方面:第一、具有较高的摩尔吸光系数，通常ε>80，000L/(mol·cm），有利于提高染料的光敏性能，便于应用在生物分析领域。第二、具有很高的荧光量子产率，普遍能够达到0.6以上，许多该类染料的量子产率接近1，而且在水中仍然保持高量子产率的特性，不会被水分子将荧光淬灭。相比之下，许多其他类的荧光染料在有机溶剂中量子产率可能很高，但是在水中却仅表现出微弱的荧光。第三、BODIPY染料的光谱性质非常稳定，不易受到溶剂极性和pH值的影响。这个性质对于设计能在不同溶剂中工作的分子探针非常重要，必须要保证染料光物理性能的不变性才能方便的应用在测试领域。BODIPY染料分子对于pH不敏感，这个性能使染料适合应用在DNA测序和DNA标记领域，因为此类探针分子的分离纯化过程中都会遇到酸解离的步骤，需要保证染料分子不被破坏。第四、BODIPY染料的荧光光谱峰宽较窄，这样使得染料在应用到分析领域的时候检测灵敏度非常高。待测的样品可能只有微量存在的前提下，荧光探针分子就能够用显著的荧光变化指示出样品的存在。第五、BODIPY染料具有较高的光稳定性，不会因为荧光分析过程中受激发光的照射而导致染料结构的迅速光降解，从而保证了光谱信号的变化仅源于受检测的样品。第六、BODIPY染料分子结构中不含离子电荷。这样避免了因为电荷的存在导致染料分子与溶液中其它离子间静电相互作用的可能，减少了干扰源。因此，氟化硼络合二毗咯甲川类荧光染料光物理性能优越，非常适合应用在各种生物质荧光分析领域，而近些年围绕着BODIPY染料分子结构创新和开发一直成为有机化学工作着的兴趣热点。BODIPY荧光团与具有一定选择性的识别分子相结合就可以组成有效的探针分子，用于金属阳离子、阴离子、糖类分子、中性小分子12 (例如:No)等许多物质的荧光分析以及作为pH探针。2.实验2.1实验仪器FA2004N电子天平、圆底烧瓶、W-2018温控油浴锅、85-1型电磁搅拌器、硅胶板、ZF-2型三用紫外仪、直形冷凝管、SHZ-D循环水式真空泵、R-201旋转蒸发仪、柱层层析硅胶柱、202-型电热恒温干燥箱、温度计、布氏漏斗2.2实验试剂石油醚（分析纯AR，500ml，国药集团化学试剂有限公司）、二氯甲烷（AR，500ml，国药集团化学试剂有限公司）、4-甲氧基苯乙酮(AR)、对溴苯甲醛(AR)、NaCl（A.R.）、甲醇(AR)、乙二胺(AR)、正丁醇(AR)、醋酸铵(AR)、乙醚(AR)、三氟化硼乙醚(AR)，无水硫酸钠（AR）。2.3实验原理2.4实验步骤第一步：4-甲氧基苯乙酮（6.15g）和对溴苯甲醛（7.41g）于圆底烧瓶中用50mL甲醇溶解，然后加入3.59gKOH，常温下搅拌反应4小时，产物用甲醇和水1：1洗涤，抽滤，得到淡黄绿色粉末。第二步：第一步产物b1取3.46g放在圆底烧瓶中，加入50mL甲醇溶解，然后用吸量管加入3.67mL硝基甲烷和6.30mL乙二胺，混合物在50度加热反应，水冷凝回流24h，，产物用旋转蒸发仪旋干得到黄色油状物。第三步：b2溶解于30mL正丁醇在圆底烧瓶中，加入7.91g醋酸铵，100摄氏度冷凝回流24h。产物冷却用水洗，抽滤得到深蓝色粉末状固体。12 第四步：取少量b3溶解于适量甲苯，加入6mL三乙胺于圆底烧瓶中搅拌15分钟，然后加入6mL三氟化硼，乙醚溶液，常温反应24h。产物b4用二氯甲烷萃取要下层，然后用水萃取要下层，然后用无水硫酸钠干燥，最后用旋转蒸发仪旋干得到绿色油状物。2.5实验谱图1HNMRcompoundb1inCDCl313CNMRcompoundb1inCDCl312 1HNMRcompoundb2inCDCl312 13CNMRcompoundb2inCDCl31HNMRcompoundb3inCDCl312 1HNMRcompoundb4inCDCl312 13CNMRcompoundb4inCDCl33.讨论在配位反应中圆底烧瓶大小对反应也会有一定的影响，因为三氟化硼容易挥发，如果圆底烧瓶较大，三氟化硼可能聚集在圆底烧瓶的上层难以进入反应液参与反应，因此反应液的量也要控制好，应至少过半。另外温度也要控制在一定的温度条件下，确保实验试剂在合适条件下反应，提高反应产量。参考文献:[1]LehnJM.PerspectivesinSupramolecularChemistry - FromMolecularRecognitiontowardsMolecularProcessingandSelf-Organization[J].AngewChemIntEd,1990,29(11):1304-1319.[2]李普明.新型BODIPY类荧光染料的设计、合成及表征[D].山东:山东师范大学学报,2007.[3]王红萍.氟硼荧BODIPY染料的研究进展[J].当代化工,2007,4:198-201.[4]崔爱军.新型BODIPY类荧光染料的合成及性能研究[D].大连理工大学,2006.[5]华仕能,崔爱军,何明阳,陈广峰,陈群.新型溴代长波长BODIPY类荧光染料的合成及表征[J].化学试剂,2009,(11)[6]王红萍,崔爱军,田茂忠,彭孝军.氟硼荧(BODIPY)染料的研究进展[J].当代化工,2007,(02)12 [7]MukuleshBaruah,WenwuQin,NikolaBasaricetal.BODIPY-basedhydroxyarylderivativesasfluorescentPHprobes[J].J.Org.Chem.,2005,70:4152-4157.[8]WenwuQin,MukuleshBarush,AlinaStefanetal.PhotophysicalpropertiesofBODIPY-derivedhydroxyarylfluorescentPHprobesinsolution[J].Chem.Phys.Chem.,2005,6:2343-2351.[9]YuGabe,YasuteruUrano,KazuyaKikuchietal.Highlysensitivefluorescenceprobesfornitricoxidebasedonborondipyrromethenechromophore-rationaldesignofpotentiallyusefulbioimagingfluorescenceprobe[J].J.Am.Chem.Soc.,2004,126:3357-3367.[10]KnutRurack,MatthiasKollmannsberger,JorgDaub.Molecularswitchinginthenearinfrared(NIR)withfunctionalizedborondipyrromethenedye[J].Angew.Chem.Int.Ed.,2001,40(2):385-37.[11]AliCoskun,EnginUAkkaya.Difluorobora-s-diazaindacenedyesashighlyselectivedosimetricreagentsforfluorideanions[J].Tetra.Lett.,2004,45:4947-4949.[12]RichardWWagner,JonathanS.Lindsey.Boron-dipyrromethenedyesforincorporationinsyntheticmulti-pigmentlightharvestingarrays[J].Pure&Appl.Chem.,1996,68(7):1373-1380.[13]VouraEB.TrackingMetastaticTumorCellExtravasationwithQuantumDotNanocrystalsandFluorescenceEmissionScanningMicroscopy[D].Nature,2004,10:993-998.[14]TaoufikR.EfficientSynthesisofAryldipyrromethanesinWaterandTheirApplicationintheSynthesisofCorrolesandDipyrromethenes[J].Arkivoc,2007,26:307-324.[15]H.Zhang,Q.L.Wang,Y.B.Jiang,TetrahedronLett.,2007,48,3959.[16]S.J.Lippard,J.M.Berg,PrinciplesofBioinorganicChemistry,UniversityScienceBooks:MillValley,California,1994.[17]Shah,M.;ThangaraJ.K.;Song,M.LPavlopoulos,T.G.Heteroat.Chem.1990,1,389.Boyer,J.H.;Haag,A.M.;Soong,M.L.;Pavlopoulos,T.G.Heteroat.Chem.,1993,4,39.[18]华仕能,崔爱军等.新型溴代长波长Bodipy类荧光染料的合成及表征[J],化学试剂,2009,31(11):919-923[19]Rostovtsev,V.;Green,L.;Fokin,V;Sharpless.B.Angew.ChemInt.Ed.,2002,41,2596.[20]Sonogashira,K.;Tohda,Y.;Hagihara,N.TetrahedronLett.,1975,16,4467.[21]Tornoe,C.;Christensen,C.;Meldal,M.J.Org.Chem.,2002,67,3057.致谢经过接近半年的忙碌和工作，毕业论文的工作也已接近尾声，这次的论文是在指导老师郝二宏教授的亲切关怀与细心指导以及丁胤学长的指点督促下完成的。作为一个本科生的毕业论文，由于经验和知识的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的师哥师姐们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。从课题的选择到论文的最终完成，郝老师和丁胤12 学长始终都给予了细心的指导和不懈的支持，郝老师和丁学长无论在实验操作中还是在整个论文的攥写过程中都给了我很多有益的宝贵建议和解答我实验中随时出现的问题。同时还要感谢他们在实验之余给我讲授的那些道理和宝贵经验，这些是我人生的收获。我还要感谢科技南楼504、506、515等实验室的师哥师姐，在实验过程中给予我无私的关心和帮助，尽管自己也忙的情况下还是很细心的帮助我们解答问题。在这次的实验阶段，同时也提高了我的实验动手能力和思考能力，这对我以后从事研究工作是有很大帮助的。借此机会，非常感谢郝老师和丁学长对我的指导和帮助。此外，我们也要感谢学校图书馆和学院资料室的老师为我们提供了大量宝贵的中英文资料，感谢学院和实验室为我们提供了很好的实验条件。张萍2012年3月23日12